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地球自转角速度(地球不停转动45亿年,动力来自哪里?)

在地球上,如果没有动力来源,没有什么机器可以一直转动下去,最终总会停止下来。然而,对于地球本身,它的质量重达6亿亿亿公斤(6×10^24 kg),它自45亿年前形成以来,一直在绕地轴自转和绕太阳公转。那么,地球持续转动的动力来源是什么?难道地球是永动机?
长久以来,一些人总是梦想着制造出永动机。起先,人们希望通过力矩的变化或者浮力等原理,不需要消耗能源,就能驱动永动机,并能对外做功。但经过数百年的尝试,这类永动机从未被制造出来。随着热力学第一定律的确立,人们认识到了这种永动机违背了能量守恒,所以不可能实现。
此后,人们又尝试从自然界中捕获热量,以此让永动机转起来,并能向外输出功。但同样地,这类永动机也失败了。因为根据热力学第二定律,也就是熵增原理,热量不会自发地从低温传向高温,或者说热量无法百分之百转化为功。
热力学定律同样适用于地球,既然永动机无法被人为制造出来,也不能被宇宙制造出来,所以地球也不会是什么永动机。虽然地球一直在转动,但它并没有对外输出功。那么,究竟是什么力量在驱动地球呢?
关于地球转动的动力来源,需要追溯到地球乃至整个太阳系的形成。距今46亿年前,太阳系中并没有太阳、水星、地球、木星、海王星等一众天体,只有一团星云——太阳星云。它的直径估计为3光年,其中98%为来自宇宙大爆炸产生的氢气和氦气,2%为上一代大质量恒星合成出的重元素。
在原始太阳星云中,分子与分子之间相互碰撞,总体的角动量不会刚好为零,在某个方向上会有净值。在中学物理中,我们学过动量,这是相对于平动的概念。如果运动方式是转动,则对应的是角动量(L),它正比于转动半径平方和角速度(L=mr^2ω)。就像动量守恒一样,角动量也严格遵循守恒定律。
在引力的作用下,太阳星云开始坍缩,大量分子聚集到中心,星云逐渐扁平化。根据角动量守恒,星云在最初那个角动量不为零的方向上越转越快,因为星云的转动半径变得越来越小。举个例子,一位花样滑冰运动员伸开双手原地旋转,当他把双手缩回去时,它的旋转速度会随之加快。
经过上千万年的时间,太阳星云中99.86%物质坍缩到中心,最终启动了氢核聚变反应,形成了能够发光发热的太阳。余下的物质绕着太阳旋转,形成原行星盘。
在原行星盘中,尘埃颗粒互相碰撞,结合成更大的微行星。这些天体又继续互相碰撞,体型变得越来越大,越大的个体能够吸引更多的物质。最终,几个“寡头”胜出,形成了各大行星,这其中就包括地球。
因为角动量始终是守恒的,从原行星盘中形成的地球仍然会绕着太阳旋转,并且自身还会自转。正因为如此,太阳系各大天体的自转和公转方向大都是一致的,而且还差不多处在同一个平面上。
在几乎是真空的太空中,地球的转动基本不会消耗能量,地球的角动量能够一直保持下去,所以地球能够靠着惯性不断转动。地球的持续转动不需要一个外加的动力,地球在形成之初已经转动起来了,它就能一直维持这种运动。
不过,地球的自转角动量在不断变小,自转角速度越来越慢。地球在刚形成时,绕轴自转一圈只需6小时,恐龙时期延长为21小时,目前为24小时,未来还有可能延长至47天。这背后的原因与月球有关,月球引力对地球形成潮汐作用,这会阻碍地球的自转,地球的自转角动量会逐渐转移给月球。
在宇宙中,天体的自转和公转都是非常普遍的,想要保持静止是不可能的。太阳本身也有自转,只不过太阳是等离子态,没有固体表面,不同区域的自转速度不一样,太阳的平均自转周期为27天。
同样地,太阳也有公转运动,其绕行中心位于2.6万光年外的银河系中心。太阳以大约220公里/秒的速度绕着银心旋转,每2.3亿年公转一圈。也就是说,过去46亿年来,太阳才公转了20圈。